セラミック体と金属体との接合体
【課題】 セラミック体と金属体との接合強度を比較的高くするとともに、長期にわたって安定した接合強度を実現する。
【解決手段】 接合層３２を、セラミック体１６の貫通孔１６ａの内面１７に対して、第１内面部分７２ａの少なくとも一部から第２内面部分７２ｂの全体を経て第３内面部分７２ｃの少なくとも一部まで連続して接着させ、セラミック体１６と金属体１４との接合強度を比較的高くするとともに、貫通孔１６ａの内面１７と柱状部１５の側面１９との間における接合層３２の一方主面１６αの側の端面３２ａを、他方主面１６βの側に向かって凹んだ凹形状とした、セラミック体１６と金属体１４との接合体１である。温度変化等に応じて接合層自体が変形し易く、接合層自体の変形によって応力を緩和することができ、比較的長期にわたって安定した接合強度を実現する。
【解決手段】 接合層３２を、セラミック体１６の貫通孔１６ａの内面１７に対して、第１内面部分７２ａの少なくとも一部から第２内面部分７２ｂの全体を経て第３内面部分７２ｃの少なくとも一部まで連続して接着させ、セラミック体１６と金属体１４との接合強度を比較的高くするとともに、貫通孔１６ａの内面１７と柱状部１５の側面１９との間における接合層３２の一方主面１６αの側の端面３２ａを、他方主面１６βの側に向かって凹んだ凹形状とした、セラミック体１６と金属体１４との接合体１である。温度変化等に応じて接合層自体が変形し易く、接合層自体の変形によって応力を緩和することができ、比較的長期にわたって安定した接合強度を実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック体と金属体との接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばリチウムイオン電池等の電池には、電解液を含む電池体を内部に封止しつつ、電気を外部へ取り出すための気密端子が用いられている。例えば下記特許文献１に、従来の気密端子の一例が記載されている。図５に断面図で示すように、下記特許文献１に記載の気密端子１００は、貫通孔１０２ａを備える金属からなる封止板１０２と、一方主面１０４αから他方主面１０４βにかけて貫通した貫通孔１０４ａを備える円筒状のセラミック体１０４と、貫通孔１０４ａに挿通された、金属からなる柱状の端子体１０６とを備えている。封止端子１００では、封止板１０２とセラミック体１０４とが接合層１１０を介して接合され、端子体１０６とセラミック体１０４とが接合層１１２を介して接合されている。接合層１１０および接合層１１２は、例えばアルミニウムろう材からなる。セラミック体１０４は、貫通孔１０４ａの一方主面１０４α側の端部に、端子体１０６の側面１０６ａと平行な内周面１２２と、側面１０６ａと垂直な底面１２４とで囲まれた拡径部１２０を備えている。特許文献１の気密端子１００では、この拡径部１２０において接合層１１２の厚みが大きく、セラミック体１０４と端子体１０６との接合強度は比較的高くなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１６７９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の気密端子１００におけるセラミック体１０４では、拡径部１２０における接合層１１２の厚みが大きく接合強度が十分に強い一方、接合層１１２を例えばろう付け工程を経て作製する際に、この拡径部１２０部分において、ろう付け時に大きな熱応力が発生し、このろう付け時の熱応力によってセラミック体１０４にクラック等の損傷が発生し易いといった課題があった。また、拡径部１２０では、電池を使用している最中の温度変化に伴なう、接合層１１２の熱膨張や熱収縮が比較的大きく、繰り返しの使用によってセラミック体１０４に損傷が発生したり、接合層１１２がセラミック体１０４から剥離し易いといった課題があった。また、拡径部１２０の内周面１２２と底面１２４とが垂直に形成されており、この内周面１２２と底面１２４との境界のコーナー部に応力が集中し易く、この集中した応力に起因したセラミック体１０４の損傷も発生し易いといった課題もあった。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、一方主面と他方主面と、前記一方主面および前記他方主面の間を貫通した貫通孔とを有するセラミック体と、前記貫通孔内に少なくとも一部が配置された、前記貫通孔の内面と対向する側面を有する柱状部を備えた金属体と、前記貫通孔の前記内面と前記柱状部の前記側面との間隙に配置された、前記内面と前記側面とに接着して前記セラミック体と前記金属体とを接合する接合層とを有し、前記貫通孔の前記内面のうち、前記柱状部の前記側面と対向する部分は、前記側面に平行な第１内面部分と、該第１内面部分に連続して該第１内面部分よりも前記他方主面の側に配置された
、前記第１内面部分の側から前記他方主面の側に近づくにしたがって前記側面との間隔が減少するように前記側面に対して傾斜した第２内面部分と、該第２内面部分に連続して該第２内面部分よりも前記他方主面の側に配置された、前記側面に平行な第３内面部分とを有し、前記接合層は、前記貫通孔の前記内面に対して、前記第１内面部分の少なくとも一部から前記第２内面部分の全体を経て前記第３内面部分の少なくとも一部まで連続して接着しており、前記貫通孔の前記内面と前記柱状部の前記側面との間における前記接合層の前記一方主面の側の端面は、前記他方主面の側に向かって凹んだ凹形状であることを特徴とするセラミック体と金属体との接合体を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のセラミック体と金属体との接合体は、セラミック体と金属体とを接合する接合層が、セラミック体の貫通孔の内面に対して、第１内面部分の少なくとも一部から第２内面部分の全体を経て第３内面部分の少なくとも一部まで連続して接着しているので、セラミック体と金属体との接合強度が比較的高いとともに、貫通孔の内面と柱状部の側面との間における接合層の一方主面の側の端面が、他方主面の側に向かって凹んだ凹形状となっているので、温度変化等に応じて接合層自体が変形し易く、接合層自体の変形によって応力を緩和することができ、比較的長期にわたって安定した接合強度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のセラミック体と金属体との接合体の一実施形態である端子部材１の概略断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す端子部材の一部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は、図１に示す端子部材の実施例の断面の電子顕微鏡写真である。
【図３】図１および図２に示す端子部材を備えて構成された電池について説明する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図４】図３に示す電池が備える電池本体の断面図である。
【図５】従来のセラミック体と金属体との接合体の一実施形態である気密端子１００の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明のセラミック体と金属体との接合体の実施形態を、図面を参照して以下に詳細に説明する。まず、図１および図２を参照し、本発明のセラミック体と金属体との接合体の一実施形態である端子部材１について説明する。図１は、本発明のセラミック体と金属体との接合体の一実施形態である端子部材１の概略断面図である。図２（ａ）は、端子部材１の一部を拡大して示す断面図である。図２（ｂ）には、端子部材１の実施例の断面の電子顕微鏡写真を併せて示している。
【００１０】
端子部材１は、例えば後述する電池６０の一部として用いられる部材である。端子部材１は、セラミック体１６と、金属体１４と、セラミック体１６と金属体１４とを接合する接合層３２とを有して構成されている。セラミック体１６は例えば公知のアルミナセラミックスからなり、一方主面１６αと他方主面１６βと、一方主面１６αおよび他方主面１６βの間を貫通した貫通孔１６ａとを有する。金属体１４は、貫通孔１６ａ内に少なくとも一部が配置された柱状部１５と、セラミック体１６の他方主面１６βと対向するように突出した鍔部１３とを備えている。柱状部１５は、貫通孔１６ａの内面１７と対向する側面１９を有している。
【００１１】
端子部材１のセラミック体１６は、貫通孔１６ａの内面１７のうち、柱状部１５の側面１９と対向する部分が、側面１７に平行な第１内面部分１７ａと、第１内面部分１７ａに連続して第１内面部分１７ａよりも他方主面１６βの側に配置された、第１内面部分１７
ａの側から他方主面１６βの側に近づくにしたがって側面１９との間隔が減少するように側面１９に対して傾斜した第２内面部分１７ｂと、第２内面部分１７ｂに連続して第２内面部分１７ｂよりも他方主面１６βの側に配置された、側面１９に平行な第３内面部分１７ｃとを有している。なお、側面１７に平行とは、柱状部１５の中心軸を含む断面における断面視において（図１、図２に対応する断面）、側面１７とのなす角の絶対値が３０度以下であることをいう。
【００１２】
また、端子部材１では、柱状部１５の中心軸を含む断面による断面視において、第１内面部分１７ａと第２内面部分１７ｂとの境界が、滑らかな曲線状となっている。また、第２内面部分１７ｂは、第１内面部分１７ａに連続した第１領域２１ａと、第１領域２１ａに連続して第１領域２１ａよりも他方主面１６βの側に配置された、第１領域２１ａに比べて側面１９に対する傾斜角が小さい第２領域２１ｂと、第２領域２１ｂに連続して第２領域２１ｂよりも他方主面１６βの側に配置された、第２領域２１ｂに比べて側面１９に対する傾斜角が大きい第３領域２１ｃとを備えている。加えて、柱状部１５の中心軸を含む断面による断面視において、第１領域２１ａと第２領域２１ｂとの境界、および第２領域２１ｂと第３領域２１ｃとの境界は、それぞれ滑らかな曲線状である。
【００１３】
セラミック体１６は、例えばアルミナセラミックスから成る場合であれば、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ2Ｏ3）、酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸
化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダを添加して調製した原料粉末を、所定形状のプレス型内に充填するとともに、これを所定圧力でプレスして成形し、しかる後、得られた成形体を大気中で約１６００℃の温度で焼成することにより製作することができる。上述した内面１７で囲まれた貫通孔１６を備えるセラミック体１６は、貫通孔１６ａの横断面積が、他方主面１６βから一方主面１６αに向かって一定か、または一方主面１６αに向かって大きくなっているかのいずれかであり、例えばプレス成型によって、比較的容易に作製することができる。
【００１４】
金属体１４は、例えば、高起電力状態において電気化学的に安定なＡｌ合金からなり、好ましくは耐食性が優れ、ろう付けしやすいＡｌ合金（ＪＩＳ Ｈ ４０４０ 合金番号３
００３）等からなる。本実施形態では、柱状部１５が円柱形状であり、貫通孔１６ａは柱状部１５に対応する円柱状に形成されている。なお、本発明において、柱状部および貫通孔の形状は円柱形状に限定されない。
【００１５】
接合層３２は、貫通孔１６ａの内面１７に対して、第１内面部分１７ａの少なくとも一部から第２内面部分１７ｂの全体を経て第３内面部分１７ｃの少なくとも一部まで連続して接着したメタライズ層４２と、メタライズ層４２の表面を被覆したメッキ層４３と、このメッキ層４３および金属体１４の柱状部１５の双方に接着したろう材層５２とを備えている。
【００１６】
メタライズ層４２は例えばＭｏ−Ｍｎ等の公知のメタライズ層からなり、例えばＭｏ粉末およびＭｎ粉末ならびに金属の酸化物粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を添加混合して得た金属ペーストを、セラミック体１６の内面１７に塗布し、これを還元雰囲気中で約１４００℃の温度で焼き付けることによって形成することができる。メッキ層４３は、公知のＮｉメッキ層からなる。ろう材層５２は、Ａｌを主成分としたＡｌ合金からなり、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いている。なお、Ａｌ合金はその表面の強固な酸化皮膜のためにろう付け性が比較的低いため、Ａｌ合金表面の酸化皮膜を除去してろう付け性を向上させるゲッター作用を有するマグネシウム（Ｍｇ）を少量含有したものを用いることが好ましい。
【００１７】
端子部材１では、接合層３２が、貫通孔１６ａの内面１７に対して、第１内面部分１７ａの少なくとも一部から第２内面部分１７ｂの全体を経て第３内面部分１７ｃの少なくと
も一部まで連続して接着し、貫通孔１６ａの内面１７と柱状部１５の側面１９との間における接合層３２の一方主面１６αの側の端面３２ａが、他方主面１６βの側に向かって凹んだ凹形状となっている。すなわち、端子部材１では、接合層３２が、第１内面部分１７ａの少なくとも一部から第２内面部分１７ｂの全体を経て第３内面部分１７ｃの少なくとも一部まで連続して接着しており、接合層３２とセラミック体１６との接合面積が比較的大きくされている。一方、接合層３２の端面３２ａが凹形状となっており、接合層３２自体の体積は比較的小さくされている。接合層３２の端面３２ａのこのような凹形状は、接合層３２の形成の際、第１内面部分１７ａから第３内面部分１７ｃとを緩やかに繋ぐように傾斜した第２内面部分１７ｂに沿って、ろう材が濡れあがることで形成されている。第１内面部分１７ａと第２内面部分１７ｂと第３内面部分１７ｃとを備える内面１７を備えることで、接合層３２を形成する際に、凹状の端面３２ａを安定して形成することが可能となっている。
【００１８】
また、端面３２ａの断面が凹形状であるので、接合層３２の端面３２ａの近傍部分は、柱状部１５の側面１９に接着した側と、貫通孔１６ａの内面１７に接着した側とが、お互いに近づく方向または遠ざかる方向（図１および図２に矢印で示す方向）に変形し易い。このため、例えば温度変化によって、接合層３２や金属体１４が熱膨張または熱収縮した場合でも、比較的変形し易い接合層３２の端面３２ａの近傍部分が選択的に変形する。これにより、温度変化に伴う余分な応力が緩和されて、温度変化に伴うセラミック体１６や金属体１４の破損が抑制されている。端子部材１では、接合層３２の端面３２ａは、凹形状のうち他方主面の側に最も近い部分が、内面１７と側面１９との間隙における、第２内面部分１７ｂに対応する領域に位置しており、第１内面部分１７ａに対応する部分が変形しやすく、応力緩和効果が比較的高い。
【００１９】
また、端子部材１が、第１領域２１ａと第２領域２１ｂと第３領域２１ｃとを備えていることで、充分に高い接合強度を有するとともに、応力の緩和効果の高い接合層３２を得ることができる。すなわち、第３領域２１ｃと第２領域２１ｂとに対応する部分と側面１９との間隙に、比較的多くの量の接合層３２を配置し、比較的高い接合強度を実現するとともに、側面１９に対する角度が比較的大きい第１領域２１ａに沿って、比較的大きな曲率半径を有する凹形状の端面３２ａを形成することで、応力緩和効果を比較的高くすることができる。
【００２０】
また、端子部材１では、上述のように、柱状部１５の中心軸を含む断面による断面視において、第１内面部分１７ａと第２内面部分１７ｂとの境界が、滑らかな曲線状となっている。加えて、柱状部１５の中心軸を含む断面による断面視において、第１領域２１ａと第２領域２１ｂとの境界、および第２領域２１ｂと第３領域２１ｃとの境界は、それぞれ滑らかな曲線状である。端子部材１では、セラミック体１６の内面１７に、余分な応力が集中するような角部が存在せず、外部から印加された力や、温度変化に応じて発生した応力が一箇所に集中することなく分散され、セラミック体１６の破損が抑制されている。
【００２１】
次に、かかる端子部材１を備えた電池６０について説明する。図３は、端子部材１を備えて構成された電池６０について説明する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。端子部材１は、図３に示すように、電池体６１と、内部に電池体６１が収容された長円筒形状の金属容器６２と、封止板１２と、図１に示す接合体１とを有して構成されている。封止板１２は貫通孔１２ａを備え、この貫通孔１２ａ内に端子部材１が配置されて、貫通孔１２ａの内周面とセラミック体１６の内面１７とが、接合層３４を介して接合されている。封止板１２は、例えばリチウムイオンを含む電解液に対する耐食性に優れるとともにろう付けしやすいＡｌ合金（ＪＩＳ Ｈ ４０４０ 合金番号３００３）からなるこ
とが好ましい。接合層３４は、例えばＭｏ−Ｍｎ等の図示しないメタライズ層と、Ａｌを主成分とした図示しないろう材層とを備えて構成されている。接合層３４のメタライズ層
も、メタライズ層４２と同様、例えばＭｏ粉末およびＭｎ粉末ならびに金属の酸化物粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を添加混合して得た金属ペーストを、セラミック体１６の第１の面１６αに塗布し、これを還元雰囲気中で約１４００℃の温度で焼き付けることによって形成することができる。接合層３４のろう材層も、ろう材層５２と同様、Ａｌを主成分としたＡｌ合金からなり、Ａｌ−Ｓｉ系組成のものを使用すればよい。封止板１２の周縁部分は、金属容器６２の開口端６２ａと溶接接合されている。
【００２２】
電池体６１は、正極端子体７２と負極端子体７３とが設けられた筐体７０と、筐体７０内部に収容された電池本体８０とを備えている。図４は、電池本体８０の断面図である。本体８０は、セパレータ７９と、セパレータ７９を挟んで互いに近接して対向配置された正極板７７および負極板７８とを有し、各部材の間隙には電解質液（図示せず）が充填されている。本実施形態では、正極板７７と負極板７８とを積層する構造として、図４に示す、いわゆる重ね合わせ構造を採用している。正極板７７と負極板７８との重ね合わせ構造としては、いわゆる折り畳み構造や巻き型構造などを採用しても構わず、特に限定されない。正極板７７および負極板７８は活物質を集電体（電極母材）に塗着したものである。正極板７７における活物質は、コバルト、マンガン、ニッケル等の遷移金属の酸化物、カルコゲン化合物、あるいはこれらの複合化合物、また各種の添加元素を加えたものが限定されることなく使用できる。負極板７８における活物質は、炭素質材料が好ましく用いられるが、ホウ素、すずの酸化物を含有するものも用いられる。その形状は通常、粒状で、粒径は０．３μｍから２０μｍのもの、なかでも１μｍから５μｍのものが好ましく用いられる。また金属リチウムを活物質に用いることも可能である。金属リチウムの場合は粒状、および箔状の、いずれのものでもよい。正極板７７および負極板７８は電気化学的に安定な金属が用いられ、正極板７７にはアルミニウムが、負極板７８には銅が好ましく用いられている。集電体は箔、網、エクスパンドメタル等、いずれの形状のものでも使用可能であるが、箔が用いられることが多い。筐体７０に設けられた正極端子体７２はアルミ金属等で形成された板状部材であり、筐体７０に収容された電池本体８０の正極板７と接続している。また負極端子体７３はニッケル、銅等で形成された板状部材であり、筐体７０に収容された電池本体８０の負極板７８と接続している。正極板７７と正極端子体７２との接続、負極板７８と負極端子体７３との接続は、例えば溶接など各種の接続形態があるが、電池本体８０から効率よく電流が取り出せるように構成されていれば、特に限定されない。
【００２３】
このような電池体６１が収容された金属容器６２の開口端６２ａを閉塞するように、封止板１２に固定された端子部材１が配置されている。具体的には、１つの接合体１の金属体１４が正極端子体７２と当接するとともに、他方の接合体１の金属体１４が負極端子体７３と当接した状態で、封止板１２の周縁部分が金属容器１０２の開口端１０２ａと溶接接合されている。
【００２４】
端子部材１を備えて構成された電池６０は、セラミック体１６と金属体１４との接合強度が高く、かつ温度変化や印加された外力に伴なう接合部分の損傷が抑制されており、長期間にわたって高い信頼性を有する。
【００２５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明のセラミック体と金属体との接合体は、上記実施形態に限定されない。例えば、本発明のセラミック体と金属体は、各種測定装置における電極や碍子など、種々の用途に利用することができる。本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００２６】
１ 端子部材（接合体）
１３ 鍔部
１４ 金属体
１５ 柱状部
１６ セラミック体
１６ａ 貫通孔
１６α 一方主面
１６β 他方主面
１７ 内面
１７ａ 第１内面部分
１７ｂ 第２内面部分
１７ｃ 第３内面部分
１９ 側面
２１ａ 第１領域
２１ｂ 第２領域
２１ｃ 第３領域
３２ 接合層
４２ メタライズ層
４３ メッキ層
５２ ろう材層
６０ 電池
６１ 電池体
７０ 筐体
７２ 正極端子体
７３ 負極端子体
７９ セパレータ
８０ 本体
１００ 気密端子
１０２ 封止板
１０２ａ 貫通孔
１０４ セラミック体
１０４α 一方主面
１０４β 他方主面
１０４ａ 貫通孔
１０６ 端子体
１１０ 接合層
１１２ 接合層
１２０ 拡径部
１２２ 内周面
１２４ 底面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック体と金属体との接合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばリチウムイオン電池等の電池には、電解液を含む電池体を内部に封止しつつ、電気を外部へ取り出すための気密端子が用いられている。例えば下記特許文献１に、従来の気密端子の一例が記載されている。図５に断面図で示すように、下記特許文献１に記載の気密端子１００は、貫通孔１０２ａを備える金属からなる封止板１０２と、一方主面１０４αから他方主面１０４βにかけて貫通した貫通孔１０４ａを備える円筒状のセラミック体１０４と、貫通孔１０４ａに挿通された、金属からなる柱状の端子体１０６とを備えている。封止端子１００では、封止板１０２とセラミック体１０４とが接合層１１０を介して接合され、端子体１０６とセラミック体１０４とが接合層１１２を介して接合されている。接合層１１０および接合層１１２は、例えばアルミニウムろう材からなる。セラミック体１０４は、貫通孔１０４ａの一方主面１０４α側の端部に、端子体１０６の側面１０６ａと平行な内周面１２２と、側面１０６ａと垂直な底面１２４とで囲まれた拡径部１２０を備えている。特許文献１の気密端子１００では、この拡径部１２０において接合層１１２の厚みが大きく、セラミック体１０４と端子体１０６との接合強度は比較的高くなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１６７９１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の気密端子１００におけるセラミック体１０４では、拡径部１２０における接合層１１２の厚みが大きく接合強度が十分に強い一方、接合層１１２を例えばろう付け工程を経て作製する際に、この拡径部１２０部分において、ろう付け時に大きな熱応力が発生し、このろう付け時の熱応力によってセラミック体１０４にクラック等の損傷が発生し易いといった課題があった。また、拡径部１２０では、電池を使用している最中の温度変化に伴なう、接合層１１２の熱膨張や熱収縮が比較的大きく、繰り返しの使用によってセラミック体１０４に損傷が発生したり、接合層１１２がセラミック体１０４から剥離し易いといった課題があった。また、拡径部１２０の内周面１２２と底面１２４とが垂直に形成されており、この内周面１２２と底面１２４との境界のコーナー部に応力が集中し易く、この集中した応力に起因したセラミック体１０４の損傷も発生し易いといった課題もあった。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、一方主面と他方主面と、前記一方主面および前記他方主面の間を貫通した貫通孔とを有するセラミック体と、前記貫通孔内に少なくとも一部が配置された、前記貫通孔の内面と対向する側面を有する柱状部を備えた金属体と、前記貫通孔の前記内面と前記柱状部の前記側面との間隙に配置された、前記内面と前記側面とに接着して前記セラミック体と前記金属体とを接合する接合層とを有し、前記貫通孔の前記内面のうち、前記柱状部の前記側面と対向する部分は、前記側面に平行な第１内面部分と、該第１内面部分に連続して該第１内面部分よりも前記他方主面の側に配置された
、前記第１内面部分の側から前記他方主面の側に近づくにしたがって前記側面との間隔が減少するように前記側面に対して傾斜した第２内面部分と、該第２内面部分に連続して該第２内面部分よりも前記他方主面の側に配置された、前記側面に平行な第３内面部分とを有し、前記接合層は、前記貫通孔の前記内面に対して、前記第１内面部分の少なくとも一部から前記第２内面部分の全体を経て前記第３内面部分の少なくとも一部まで連続して接着しており、前記貫通孔の前記内面と前記柱状部の前記側面との間における前記接合層の前記一方主面の側の端面は、前記他方主面の側に向かって凹んだ凹形状であることを特徴とするセラミック体と金属体との接合体を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のセラミック体と金属体との接合体は、セラミック体と金属体とを接合する接合層が、セラミック体の貫通孔の内面に対して、第１内面部分の少なくとも一部から第２内面部分の全体を経て第３内面部分の少なくとも一部まで連続して接着しているので、セラミック体と金属体との接合強度が比較的高いとともに、貫通孔の内面と柱状部の側面との間における接合層の一方主面の側の端面が、他方主面の側に向かって凹んだ凹形状となっているので、温度変化等に応じて接合層自体が変形し易く、接合層自体の変形によって応力を緩和することができ、比較的長期にわたって安定した接合強度を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のセラミック体と金属体との接合体の一実施形態である端子部材１の概略断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す端子部材の一部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は、図１に示す端子部材の実施例の断面の電子顕微鏡写真である。
【図３】図１および図２に示す端子部材を備えて構成された電池について説明する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図４】図３に示す電池が備える電池本体の断面図である。
【図５】従来のセラミック体と金属体との接合体の一実施形態である気密端子１００の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明のセラミック体と金属体との接合体の実施形態を、図面を参照して以下に詳細に説明する。まず、図１および図２を参照し、本発明のセラミック体と金属体との接合体の一実施形態である端子部材１について説明する。図１は、本発明のセラミック体と金属体との接合体の一実施形態である端子部材１の概略断面図である。図２（ａ）は、端子部材１の一部を拡大して示す断面図である。図２（ｂ）には、端子部材１の実施例の断面の電子顕微鏡写真を併せて示している。
【００１０】
端子部材１は、例えば後述する電池６０の一部として用いられる部材である。端子部材１は、セラミック体１６と、金属体１４と、セラミック体１６と金属体１４とを接合する接合層３２とを有して構成されている。セラミック体１６は例えば公知のアルミナセラミックスからなり、一方主面１６αと他方主面１６βと、一方主面１６αおよび他方主面１６βの間を貫通した貫通孔１６ａとを有する。金属体１４は、貫通孔１６ａ内に少なくとも一部が配置された柱状部１５と、セラミック体１６の他方主面１６βと対向するように突出した鍔部１３とを備えている。柱状部１５は、貫通孔１６ａの内面１７と対向する側面１９を有している。
【００１１】
端子部材１のセラミック体１６は、貫通孔１６ａの内面１７のうち、柱状部１５の側面１９と対向する部分が、側面１７に平行な第１内面部分１７ａと、第１内面部分１７ａに連続して第１内面部分１７ａよりも他方主面１６βの側に配置された、第１内面部分１７
ａの側から他方主面１６βの側に近づくにしたがって側面１９との間隔が減少するように側面１９に対して傾斜した第２内面部分１７ｂと、第２内面部分１７ｂに連続して第２内面部分１７ｂよりも他方主面１６βの側に配置された、側面１９に平行な第３内面部分１７ｃとを有している。なお、側面１７に平行とは、柱状部１５の中心軸を含む断面における断面視において（図１、図２に対応する断面）、側面１７とのなす角の絶対値が３０度以下であることをいう。
【００１２】
また、端子部材１では、柱状部１５の中心軸を含む断面による断面視において、第１内面部分１７ａと第２内面部分１７ｂとの境界が、滑らかな曲線状となっている。また、第２内面部分１７ｂは、第１内面部分１７ａに連続した第１領域２１ａと、第１領域２１ａに連続して第１領域２１ａよりも他方主面１６βの側に配置された、第１領域２１ａに比べて側面１９に対する傾斜角が小さい第２領域２１ｂと、第２領域２１ｂに連続して第２領域２１ｂよりも他方主面１６βの側に配置された、第２領域２１ｂに比べて側面１９に対する傾斜角が大きい第３領域２１ｃとを備えている。加えて、柱状部１５の中心軸を含む断面による断面視において、第１領域２１ａと第２領域２１ｂとの境界、および第２領域２１ｂと第３領域２１ｃとの境界は、それぞれ滑らかな曲線状である。
【００１３】
セラミック体１６は、例えばアルミナセラミックスから成る場合であれば、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ2Ｏ3）、酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸
化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダを添加して調製した原料粉末を、所定形状のプレス型内に充填するとともに、これを所定圧力でプレスして成形し、しかる後、得られた成形体を大気中で約１６００℃の温度で焼成することにより製作することができる。上述した内面１７で囲まれた貫通孔１６を備えるセラミック体１６は、貫通孔１６ａの横断面積が、他方主面１６βから一方主面１６αに向かって一定か、または一方主面１６αに向かって大きくなっているかのいずれかであり、例えばプレス成型によって、比較的容易に作製することができる。
【００１４】
金属体１４は、例えば、高起電力状態において電気化学的に安定なＡｌ合金からなり、好ましくは耐食性が優れ、ろう付けしやすいＡｌ合金（ＪＩＳ Ｈ ４０４０ 合金番号３
００３）等からなる。本実施形態では、柱状部１５が円柱形状であり、貫通孔１６ａは柱状部１５に対応する円柱状に形成されている。なお、本発明において、柱状部および貫通孔の形状は円柱形状に限定されない。
【００１５】
接合層３２は、貫通孔１６ａの内面１７に対して、第１内面部分１７ａの少なくとも一部から第２内面部分１７ｂの全体を経て第３内面部分１７ｃの少なくとも一部まで連続して接着したメタライズ層４２と、メタライズ層４２の表面を被覆したメッキ層４３と、このメッキ層４３および金属体１４の柱状部１５の双方に接着したろう材層５２とを備えている。
【００１６】
メタライズ層４２は例えばＭｏ−Ｍｎ等の公知のメタライズ層からなり、例えばＭｏ粉末およびＭｎ粉末ならびに金属の酸化物粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を添加混合して得た金属ペーストを、セラミック体１６の内面１７に塗布し、これを還元雰囲気中で約１４００℃の温度で焼き付けることによって形成することができる。メッキ層４３は、公知のＮｉメッキ層からなる。ろう材層５２は、Ａｌを主成分としたＡｌ合金からなり、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材を用いている。なお、Ａｌ合金はその表面の強固な酸化皮膜のためにろう付け性が比較的低いため、Ａｌ合金表面の酸化皮膜を除去してろう付け性を向上させるゲッター作用を有するマグネシウム（Ｍｇ）を少量含有したものを用いることが好ましい。
【００１７】
端子部材１では、接合層３２が、貫通孔１６ａの内面１７に対して、第１内面部分１７ａの少なくとも一部から第２内面部分１７ｂの全体を経て第３内面部分１７ｃの少なくと
も一部まで連続して接着し、貫通孔１６ａの内面１７と柱状部１５の側面１９との間における接合層３２の一方主面１６αの側の端面３２ａが、他方主面１６βの側に向かって凹んだ凹形状となっている。すなわち、端子部材１では、接合層３２が、第１内面部分１７ａの少なくとも一部から第２内面部分１７ｂの全体を経て第３内面部分１７ｃの少なくとも一部まで連続して接着しており、接合層３２とセラミック体１６との接合面積が比較的大きくされている。一方、接合層３２の端面３２ａが凹形状となっており、接合層３２自体の体積は比較的小さくされている。接合層３２の端面３２ａのこのような凹形状は、接合層３２の形成の際、第１内面部分１７ａから第３内面部分１７ｃとを緩やかに繋ぐように傾斜した第２内面部分１７ｂに沿って、ろう材が濡れあがることで形成されている。第１内面部分１７ａと第２内面部分１７ｂと第３内面部分１７ｃとを備える内面１７を備えることで、接合層３２を形成する際に、凹状の端面３２ａを安定して形成することが可能となっている。
【００１８】
また、端面３２ａの断面が凹形状であるので、接合層３２の端面３２ａの近傍部分は、柱状部１５の側面１９に接着した側と、貫通孔１６ａの内面１７に接着した側とが、お互いに近づく方向または遠ざかる方向（図１および図２に矢印で示す方向）に変形し易い。このため、例えば温度変化によって、接合層３２や金属体１４が熱膨張または熱収縮した場合でも、比較的変形し易い接合層３２の端面３２ａの近傍部分が選択的に変形する。これにより、温度変化に伴う余分な応力が緩和されて、温度変化に伴うセラミック体１６や金属体１４の破損が抑制されている。端子部材１では、接合層３２の端面３２ａは、凹形状のうち他方主面の側に最も近い部分が、内面１７と側面１９との間隙における、第２内面部分１７ｂに対応する領域に位置しており、第１内面部分１７ａに対応する部分が変形しやすく、応力緩和効果が比較的高い。
【００１９】
また、端子部材１が、第１領域２１ａと第２領域２１ｂと第３領域２１ｃとを備えていることで、充分に高い接合強度を有するとともに、応力の緩和効果の高い接合層３２を得ることができる。すなわち、第３領域２１ｃと第２領域２１ｂとに対応する部分と側面１９との間隙に、比較的多くの量の接合層３２を配置し、比較的高い接合強度を実現するとともに、側面１９に対する角度が比較的大きい第１領域２１ａに沿って、比較的大きな曲率半径を有する凹形状の端面３２ａを形成することで、応力緩和効果を比較的高くすることができる。
【００２０】
また、端子部材１では、上述のように、柱状部１５の中心軸を含む断面による断面視において、第１内面部分１７ａと第２内面部分１７ｂとの境界が、滑らかな曲線状となっている。加えて、柱状部１５の中心軸を含む断面による断面視において、第１領域２１ａと第２領域２１ｂとの境界、および第２領域２１ｂと第３領域２１ｃとの境界は、それぞれ滑らかな曲線状である。端子部材１では、セラミック体１６の内面１７に、余分な応力が集中するような角部が存在せず、外部から印加された力や、温度変化に応じて発生した応力が一箇所に集中することなく分散され、セラミック体１６の破損が抑制されている。
【００２１】
次に、かかる端子部材１を備えた電池６０について説明する。図３は、端子部材１を備えて構成された電池６０について説明する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。端子部材１は、図３に示すように、電池体６１と、内部に電池体６１が収容された長円筒形状の金属容器６２と、封止板１２と、図１に示す接合体１とを有して構成されている。封止板１２は貫通孔１２ａを備え、この貫通孔１２ａ内に端子部材１が配置されて、貫通孔１２ａの内周面とセラミック体１６の内面１７とが、接合層３４を介して接合されている。封止板１２は、例えばリチウムイオンを含む電解液に対する耐食性に優れるとともにろう付けしやすいＡｌ合金（ＪＩＳ Ｈ ４０４０ 合金番号３００３）からなるこ
とが好ましい。接合層３４は、例えばＭｏ−Ｍｎ等の図示しないメタライズ層と、Ａｌを主成分とした図示しないろう材層とを備えて構成されている。接合層３４のメタライズ層
も、メタライズ層４２と同様、例えばＭｏ粉末およびＭｎ粉末ならびに金属の酸化物粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を添加混合して得た金属ペーストを、セラミック体１６の第１の面１６αに塗布し、これを還元雰囲気中で約１４００℃の温度で焼き付けることによって形成することができる。接合層３４のろう材層も、ろう材層５２と同様、Ａｌを主成分としたＡｌ合金からなり、Ａｌ−Ｓｉ系組成のものを使用すればよい。封止板１２の周縁部分は、金属容器６２の開口端６２ａと溶接接合されている。
【００２２】
電池体６１は、正極端子体７２と負極端子体７３とが設けられた筐体７０と、筐体７０内部に収容された電池本体８０とを備えている。図４は、電池本体８０の断面図である。本体８０は、セパレータ７９と、セパレータ７９を挟んで互いに近接して対向配置された正極板７７および負極板７８とを有し、各部材の間隙には電解質液（図示せず）が充填されている。本実施形態では、正極板７７と負極板７８とを積層する構造として、図４に示す、いわゆる重ね合わせ構造を採用している。正極板７７と負極板７８との重ね合わせ構造としては、いわゆる折り畳み構造や巻き型構造などを採用しても構わず、特に限定されない。正極板７７および負極板７８は活物質を集電体（電極母材）に塗着したものである。正極板７７における活物質は、コバルト、マンガン、ニッケル等の遷移金属の酸化物、カルコゲン化合物、あるいはこれらの複合化合物、また各種の添加元素を加えたものが限定されることなく使用できる。負極板７８における活物質は、炭素質材料が好ましく用いられるが、ホウ素、すずの酸化物を含有するものも用いられる。その形状は通常、粒状で、粒径は０．３μｍから２０μｍのもの、なかでも１μｍから５μｍのものが好ましく用いられる。また金属リチウムを活物質に用いることも可能である。金属リチウムの場合は粒状、および箔状の、いずれのものでもよい。正極板７７および負極板７８は電気化学的に安定な金属が用いられ、正極板７７にはアルミニウムが、負極板７８には銅が好ましく用いられている。集電体は箔、網、エクスパンドメタル等、いずれの形状のものでも使用可能であるが、箔が用いられることが多い。筐体７０に設けられた正極端子体７２はアルミ金属等で形成された板状部材であり、筐体７０に収容された電池本体８０の正極板７と接続している。また負極端子体７３はニッケル、銅等で形成された板状部材であり、筐体７０に収容された電池本体８０の負極板７８と接続している。正極板７７と正極端子体７２との接続、負極板７８と負極端子体７３との接続は、例えば溶接など各種の接続形態があるが、電池本体８０から効率よく電流が取り出せるように構成されていれば、特に限定されない。
【００２３】
このような電池体６１が収容された金属容器６２の開口端６２ａを閉塞するように、封止板１２に固定された端子部材１が配置されている。具体的には、１つの接合体１の金属体１４が正極端子体７２と当接するとともに、他方の接合体１の金属体１４が負極端子体７３と当接した状態で、封止板１２の周縁部分が金属容器１０２の開口端１０２ａと溶接接合されている。
【００２４】
端子部材１を備えて構成された電池６０は、セラミック体１６と金属体１４との接合強度が高く、かつ温度変化や印加された外力に伴なう接合部分の損傷が抑制されており、長期間にわたって高い信頼性を有する。
【００２５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明のセラミック体と金属体との接合体は、上記実施形態に限定されない。例えば、本発明のセラミック体と金属体は、各種測定装置における電極や碍子など、種々の用途に利用することができる。本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００２６】
１ 端子部材（接合体）
１３ 鍔部
１４ 金属体
１５ 柱状部
１６ セラミック体
１６ａ 貫通孔
１６α 一方主面
１６β 他方主面
１７ 内面
１７ａ 第１内面部分
１７ｂ 第２内面部分
１７ｃ 第３内面部分
１９ 側面
２１ａ 第１領域
２１ｂ 第２領域
２１ｃ 第３領域
３２ 接合層
４２ メタライズ層
４３ メッキ層
５２ ろう材層
６０ 電池
６１ 電池体
７０ 筐体
７２ 正極端子体
７３ 負極端子体
７９ セパレータ
８０ 本体
１００ 気密端子
１０２ 封止板
１０２ａ 貫通孔
１０４ セラミック体
１０４α 一方主面
１０４β 他方主面
１０４ａ 貫通孔
１０６ 端子体
１１０ 接合層
１１２ 接合層
１２０ 拡径部
１２２ 内周面
１２４ 底面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方主面と他方主面と、前記一方主面および前記他方主面の間を貫通した貫通孔とを有するセラミック体と、
前記貫通孔内に少なくとも一部が配置された、前記貫通孔の内面と対向する側面を有する柱状部を備えた金属体と、
前記貫通孔の前記内面と前記柱状部の前記側面との間隙に配置された、前記内面と前記側面とに接着して前記セラミック体と前記金属体とを接合する接合層とを有し、
前記貫通孔の前記内面のうち、前記柱状部の前記側面と対向する部分は、
前記側面に平行な第１内面部分と、
該第１内面部分に連続して該第１内面部分よりも前記他方主面の側に配置された、前記第１内面部分の側から前記他方主面の側に近づくにしたがって前記側面との間隔が減少するように前記側面に対して傾斜した第２内面部分と、
該第２内面部分に連続して該第２内面部分よりも前記他方主面の側に配置された、前記側面に平行な第３内面部分とを有し、
前記接合層は、前記貫通孔の前記内面に対して、前記第１内面部分の少なくとも一部から前記第２内面部分の全体を経て前記第３内面部分の少なくとも一部まで連続して接着しており、前記貫通孔の前記内面と前記柱状部の前記側面との間における前記接合層の前記一方主面の側の端面は、前記他方主面の側に向かって凹んだ凹形状であることを特徴とするセラミック体と金属体との接合体。
【請求項２】
前記接合層の前記端面は、凹形状のうち前記他方主面の側に最も近い部分が、前記間隙における前記第２内面部分に対応する領域に位置していることを特徴とする請求項１記載のセラミック体と金属体との接合体。
【請求項３】
前記柱状部の中心軸を含む断面による断面視において、前記第１内面部分と前記第２内面部分との境界が、滑らかな曲線状であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック体と金属体との接合体。
【請求項４】
前記第２内面部分は、
前記第１内面部分に連続した第１領域と、
該第１領域に連続して該第１領域よりも前記他方主面の側に配置された、前記第１領域に比べて前記側面に対する傾斜角が小さい第２領域と、
該第２領域に連続して該第２領域よりも前記他方主面の側に配置された、前記第２領域に比べて前記側面に対する傾斜角が大きい第３領域とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミック体と金属体との接合体。
【請求項５】
前記柱状部の中心軸を含む断面による断面視において、前記第１領域と前記第２領域との境界および前記第２領域と前記第３領域との境界は、それぞれ滑らかな曲線状であることを特徴とする請求項４に記載のセラミック体と金属体との接合体。
【請求項６】
前記接合層は、前記貫通孔の前記内面に被着したメタライズ層と、該メタライズ層の表面を被覆したメッキ層と、該メッキ層および前記金属体の前記柱状部の双方に接着したろう材層とを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセラミック体と金属体との接合体。
【請求項１】
一方主面と他方主面と、前記一方主面および前記他方主面の間を貫通した貫通孔とを有するセラミック体と、
前記貫通孔内に少なくとも一部が配置された、前記貫通孔の内面と対向する側面を有する柱状部を備えた金属体と、
前記貫通孔の前記内面と前記柱状部の前記側面との間隙に配置された、前記内面と前記側面とに接着して前記セラミック体と前記金属体とを接合する接合層とを有し、
前記貫通孔の前記内面のうち、前記柱状部の前記側面と対向する部分は、
前記側面に平行な第１内面部分と、
該第１内面部分に連続して該第１内面部分よりも前記他方主面の側に配置された、前記第１内面部分の側から前記他方主面の側に近づくにしたがって前記側面との間隔が減少するように前記側面に対して傾斜した第２内面部分と、
該第２内面部分に連続して該第２内面部分よりも前記他方主面の側に配置された、前記側面に平行な第３内面部分とを有し、
前記接合層は、前記貫通孔の前記内面に対して、前記第１内面部分の少なくとも一部から前記第２内面部分の全体を経て前記第３内面部分の少なくとも一部まで連続して接着しており、前記貫通孔の前記内面と前記柱状部の前記側面との間における前記接合層の前記一方主面の側の端面は、前記他方主面の側に向かって凹んだ凹形状であることを特徴とするセラミック体と金属体との接合体。
【請求項２】
前記接合層の前記端面は、凹形状のうち前記他方主面の側に最も近い部分が、前記間隙における前記第２内面部分に対応する領域に位置していることを特徴とする請求項１記載のセラミック体と金属体との接合体。
【請求項３】
前記柱状部の中心軸を含む断面による断面視において、前記第１内面部分と前記第２内面部分との境界が、滑らかな曲線状であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック体と金属体との接合体。
【請求項４】
前記第２内面部分は、
前記第１内面部分に連続した第１領域と、
該第１領域に連続して該第１領域よりも前記他方主面の側に配置された、前記第１領域に比べて前記側面に対する傾斜角が小さい第２領域と、
該第２領域に連続して該第２領域よりも前記他方主面の側に配置された、前記第２領域に比べて前記側面に対する傾斜角が大きい第３領域とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミック体と金属体との接合体。
【請求項５】
前記柱状部の中心軸を含む断面による断面視において、前記第１領域と前記第２領域との境界および前記第２領域と前記第３領域との境界は、それぞれ滑らかな曲線状であることを特徴とする請求項４に記載のセラミック体と金属体との接合体。
【請求項６】
前記接合層は、前記貫通孔の前記内面に被着したメタライズ層と、該メタライズ層の表面を被覆したメッキ層と、該メッキ層および前記金属体の前記柱状部の双方に接着したろう材層とを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセラミック体と金属体との接合体。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−１１２５８６（Ｐ２０１３−１１２５８６Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６１９４９（Ｐ２０１１−２６１９４９）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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